微生物對(duì)再生骨料的改性研究

武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 湖北 武漢 430070

目前,再生骨料常見(jiàn)的強(qiáng)化方法有機(jī)械強(qiáng)化和化學(xué)強(qiáng)化。機(jī)械強(qiáng)化和化學(xué)強(qiáng)化都有其自身的不足,因此本研究利用微生物礦化作用[1-2]對(duì)再生骨料進(jìn)行改性處理,修復(fù)骨料中的裂縫、裂紋,來(lái)達(dá)到強(qiáng)化骨料的目的。試驗(yàn)選取的微生物為巴氏芽孢桿菌,通過(guò)誘導(dǎo)礦化作用利用周?chē)h(huán)境產(chǎn)生碳酸鈣沉修復(fù)再生骨料。

1 試驗(yàn)原理

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀(Microbial induced calcium carbonate precipitation,MICP)技術(shù)受到越來(lái)越多的關(guān)注。MICP本質(zhì)上是利用微生物產(chǎn)生的脲酶,催化環(huán)境中的尿素使其轉(zhuǎn)化為碳酸根和銨根離子,在微生物生活的環(huán)境中鈣離子的存在會(huì)促使微生物的細(xì)胞壁成為成核位點(diǎn),并在其上產(chǎn)生碳酸鈣沉淀[3]。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

再生骨料運(yùn)用到混凝土當(dāng)中,基本處于堿性環(huán)境當(dāng)中,因此研究堿性環(huán)境下微生物對(duì)再生骨料修復(fù)的效果具有重要的意義。

采用AB兩種批次骨料,共設(shè)置六組試驗(yàn)。其中A1、A2兩組采用不同p H值的養(yǎng)護(hù)液浸泡A種骨料,B1、B2兩組采用不同p H值的養(yǎng)護(hù)液浸泡B種骨料。A3、B3兩組采用不同的p H值養(yǎng)護(hù)液分別浸泡A、B兩種骨料。A1、A2、B1、B2四組試驗(yàn)中的養(yǎng)護(hù)液成分為:水2.5L、硝酸鈣5g、尿素2g、酵母粉5 g。A3、B3兩組試驗(yàn)中養(yǎng)護(hù)液的成分為2.5L自來(lái)水。共設(shè)置五種不同p H值的養(yǎng)護(hù)液。利用2 mol/L的NaOH溶液分別調(diào)整養(yǎng)護(hù)液p H至8.0、9.0、10.5、12.0、13.0。每組試驗(yàn)中,將骨料分成五份,每份質(zhì)量為5kg,分別置入五種不同p H值的養(yǎng)護(hù)液和自來(lái)水中。在室溫為25℃情況下,養(yǎng)護(hù)7天后,測(cè)定這五種不同p H值養(yǎng)護(hù)液中的骨料的質(zhì)量、吸水率、表觀密度和壓碎指標(biāo)。

表1 不同p H值的骨料的質(zhì)量

圖1所示為再生骨料經(jīng)巴氏芽孢桿菌礦化沉積改性不同p H值后的質(zhì)量變化值。從圖中可以看出,隨著堿性環(huán)境的增強(qiáng),再生骨料的質(zhì)量逐漸提高,p H值為10.5時(shí)A種骨料質(zhì)量增長(zhǎng)率達(dá)到頂值為2.9%,B種骨料質(zhì)量增長(zhǎng)率最大2.98%。然而當(dāng)溶液p H值繼續(xù)增大時(shí),質(zhì)量增長(zhǎng)率出現(xiàn)下降趨勢(shì)。是因?yàn)閺?qiáng)堿環(huán)境中芽孢桿菌活性降低,導(dǎo)致新陳代謝也降低,使其產(chǎn)生較少的的脲酶,無(wú)法使尿素完全分解,使溶液中還有大部分鈣離子無(wú)法與碳酸根離子產(chǎn)生沉淀。其次在強(qiáng)堿環(huán)境下,骨料表面沉積的碳酸鈣晶體會(huì)被腐蝕。導(dǎo)致質(zhì)量增長(zhǎng)率降低。從圖中還能發(fā)現(xiàn)A3、B3兩組試驗(yàn)中骨料的質(zhì)量隨堿性環(huán)境的增強(qiáng)而降低,同樣也是因?yàn)楦街诠橇仙厦娴呐f砂漿和細(xì)沙流失導(dǎo)致的。

圖2為PH值與表觀密度的關(guān)系,從中可以發(fā)現(xiàn)與質(zhì)量變化率趨勢(shì)相同,隨著堿性環(huán)境的增強(qiáng),再生骨料的表觀密度先增長(zhǎng)后降低,在PH值為8到9之間表觀密度增長(zhǎng)較慢,而在9到10.5之間迅速增加,接下來(lái)又緩慢增長(zhǎng),在p H值為10.5時(shí)A種骨料表觀密度達(dá)到最大值為2630kg/m3B種骨料表觀密度達(dá)到最大值為2583kg/m3。接下來(lái)骨料的表觀密度出現(xiàn)下降趨勢(shì)。說(shuō)明養(yǎng)護(hù)液的p H值過(guò)高會(huì)抑制碳酸鈣沉淀的形成,從而抑制了表觀密度的增長(zhǎng)。

圖1 p H值與質(zhì)量變化率的關(guān)系

圖2 p H值與表觀密度的關(guān)系

圖2 p H 值與吸水率的關(guān)系

圖2為不同PH值養(yǎng)護(hù)液下,再生骨料的吸水率。從圖中可以看出,隨著養(yǎng)護(hù)液p H的增長(zhǎng),再生骨料的吸水率大體呈先降低后增大的趨勢(shì)。改性養(yǎng)護(hù)7 d后,p H值為10.5的養(yǎng)護(hù)液中的再生骨料的吸水率達(dá)到最低值為,A骨料的為2.2%B骨料的吸水率為2.42%。上述試驗(yàn)結(jié)果表明一定的堿性環(huán)境有助于再生骨料的改性處理,但堿性較強(qiáng)時(shí)對(duì)再生骨料的各項(xiàng)性能指標(biāo)沒(méi)有幫助甚至?xí)档凸橇系男阅堋Ｆ湓蚴且驗(yàn)樵趶?qiáng)堿環(huán)境中微生物的活性會(huì)降低,導(dǎo)致細(xì)菌繁殖減少,菌液濃度降低,使其產(chǎn)生的脲酶較少,導(dǎo)致生成的碳酸鈣沉淀也減少。使其改性效果降低。另外發(fā)現(xiàn)在A3、B3兩組試驗(yàn)中,隨著堿性的增強(qiáng)骨料的吸水率有所降低這是因?yàn)閺?qiáng)堿環(huán)境同樣會(huì)使附著在骨料上的舊砂漿分離出去,導(dǎo)致骨料的吸水率小范圍類(lèi)降低。

圖4為不同p H值養(yǎng)護(hù)液經(jīng)7天養(yǎng)護(hù)后,再生骨料的壓碎指標(biāo)。從圖中可以看出,當(dāng)p H值為8～10.5時(shí),再生骨料的壓碎指標(biāo)隨著p H值的增大而逐漸降低,p H值為10.5時(shí)改性養(yǎng)護(hù)后A骨料壓碎指標(biāo)最低為13.5%,B骨料壓碎指標(biāo)最低為13.8%;然而當(dāng)p H值大于10.5時(shí),再生骨料的壓碎指標(biāo)又出現(xiàn)繼續(xù)增大的現(xiàn)象。從A3、B3兩組試驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)在堿性較強(qiáng)的環(huán)境中,骨料的壓碎指標(biāo)呈小幅度上升趨勢(shì),這是因?yàn)閺?qiáng)堿具有腐蝕性,導(dǎo)致再生骨料被腐蝕對(duì)骨料本身有損傷,因此骨料的壓碎指標(biāo)增大。從壓碎指標(biāo)和吸水率的參數(shù)角度來(lái)說(shuō),養(yǎng)護(hù)液的p H值存在最優(yōu)值,綜合分析比較不同p H值的養(yǎng)護(hù)液對(duì)再生骨料的性能影響本次試驗(yàn)養(yǎng)護(hù)液的最佳p H值為10.5。

圖3 p H值與壓碎指標(biāo)的關(guān)系

3 結(jié)論

(1)巴氏芽孢桿菌可以在再生骨料的表面及微裂縫、孔隙中生成一定量的碳酸鈣沉淀,從而改善了再生骨料的物理性能。

(2)隨著養(yǎng)護(hù)液p H值的提高,再生骨料的質(zhì)量、表觀密度、吸水率和壓碎指標(biāo)都呈現(xiàn)出先增大再降低的趨勢(shì),說(shuō)明一定的堿性環(huán)境有利于提高芽孢桿菌的活性,產(chǎn)生更多的脲酶,分解較多的碳酸根離子與鈣離子結(jié)合產(chǎn)生更多的沉淀。而當(dāng)堿性較強(qiáng)時(shí)會(huì)抑制芽孢桿菌的活性,使芽孢桿菌對(duì)骨料的修復(fù)效果減弱。因此從本次試驗(yàn)來(lái)看養(yǎng)護(hù)液的p H值也存在最佳值,最佳p H值確定為10.5。